XNUMX 年以上にわたって、物理学者は ローレンスリバモア国立研究所 カリフォルニアでは、以前は水素爆弾の弾頭の内部でのみ発生したことを実験室で試みています。 彼らの目的は、世界最大のレーザーからの強力な光パルスを使用することでした - $3.5bn 国立点火施設 (NIF) – 水素燃料の小さなカプセルを粉砕して、内部で生成された異常な温度と圧力がエネルギーを生成する核融合反応を生み出すようにします。 昨年末まで、一連の技術的挫折により、イグニッションと呼ばれる目標を達成できませんでした。 しかし、1 月 5 日の午前 XNUMX 時過ぎに、レーザーの焦点を取り囲む検出器で、通常よりも大きな中性子バーストが発生しました。 成功の合図 – この場合の反応は、消費したエネルギーの 1.5 倍以上を生成しました。

この偉業は世界中の見出しとなり、一般の人々、政治家、核融合の専門家の想像力を刺激しました。 米国のエネルギー長官ジェニファー・グランホルムは、「画期的な成果」を称賛し、 ロチェスター大学のマイケル・キャンベル 米国では、この結果を核融合研究の「ライト兄弟の瞬間」と表現しています。 にとって インペリアル・カレッジ・ロンドンのスティーブン・ローズ、この発表は、そのような高い核融合エネルギーが達成可能であるという長引く疑いを取り除きます. 「エネルギーが XNUMX 倍以上増えないと、絶対に達成できないと人々は主張するかもしれません」と彼は言います。

この結果は、核融合が最終的にクリーンで安全、確実、そして持続可能なエネルギーの新しい供給源を可能にするかもしれないという楽観的な見方を新たにしました。 現在、政府、特に民間企業は、核融合エネルギーの大きな可能性を活用しようとしています。一部の企業は、次の XNUMX 年の初めまでにパイロット発電所から電力網に電力を供給することを約束しています。

しかし、一部の科学者は、核融合エネルギーへの道に大きな技術的ハードルが残っていることを考えると、そのようなタイムスケールは非現実的であると考えています. 他の研究者は、研究者とその資金提供者が正しい考え方を採用している限り、10 年から 15 年の期間が実現可能であると主張しています。 にとって カリフォルニア大学ロサンゼルス校のトロイ・カーター、これは、フットボール スタジアム サイズの NIF のような大規模で高価な中央集権型施設への依存を終わらせ、代わりに、よりリスク許容度の高い民間部門が主導する小規模で安価なプロジェクトに目を向けることを意味します。 「私たちはビジネスのやり方を変えなければなりません」と彼は言います。

やっと狙い通り

軽原子核が融合するときに放出されるエネルギーを利用するには、核燃料を約 100 億ケルビンの温度でプラズマの形で保持する必要があります。 これを行う20つの方法は、プラズマを電波または粒子ビームで加熱しながら、かなり長い時間磁場内にプラズマを閉じ込めることです。 これまでのところ、そのような「磁気閉じ込め」は、物理学者が核融合エネルギーへの好ましいルートでした。 これは、世界で最も高価な公共および民間原子炉の両方で利用されます。 ITER 南フランスで建設中の施設と同社が製造した機械 コモンウェルスフュージョンシステム 米国のボストン以外では、これまでに少なくとも 2 億ドルの資金を調達しています。

「慣性閉じ込め」原子炉は、定常状態を得ようとするのではなく、内燃機関のように動作し、爆発のサイクルを繰り返すことでエネルギーを生成し、瞬間的に莫大な温度と圧力を生み出します。 NIF は、水素同位体である重水素とトリチウムを含むコショウの実サイズのカプセルが中央にある小さな中空の金属シリンダーに 192 のレーザー ビームを増幅して集束させることによってこれを行います。 シリンダーの壁から発生した X 線がカプセルの外面から吹き飛ばされ、運動量保存のおかげでカプセルの残りの部分が内側に押し出され、カプセル内の重水素と三重水素の原子核が融合し、その過程でアルファ粒子 (ヘリウム原子核) が放出されます。 )、中性子、および多くのエネルギー。

このプロセスは非常に要求が厳しく、核融合に必要なほぼ完全に対称的な爆縮を確実にするために、非常に正確なビーム集束と非常に滑らかなカプセルが必要です。 実際、内破やカプセルの欠陥などによって生成されたプラズマの不安定性は、リバモアの研究者が 2012 年までに点火 (または「損益分岐点」) という当初の目標を大幅に下回ったことを意味していました。連続するレーザー ショットで、彼らは実験装置を徐々に改良し、最終的に歴史的なショットを発射することができました。ターゲットに 3.15 MJ のレーザー エネルギーを供給した後、2.05 万ジュール (MJ) の核融合エネルギーを生み出しました。

リバモアの慣性閉じ込め核融合プログラムの主任科学者である Omar Hurricane は、NIF のレーザー エネルギーを約 0.2 MJ ずつ上げることで、より高い再現性のある利益を推進するために、研究の「優先順位を付け直す」ことを計画していると述べています。 彼らはまた、カプセル内の核燃料の厚さを変化させ、シリンダーのレーザー入口穴のサイズを縮小する効果を研究するつもりです. しかし、彼は、NIF が実用的な核融合エネルギーを実証するように設計されたことは決してないと指摘する – 施設の主な目的が、米国の (もはやテストされていない) 核兵器の備蓄をサポートするための実験データを提供することであることを考えると. そのため、NIF は非常に非効率的です。その 2 MJ フラッシュ ランプ ポンプ レーザーは約 400 MJ の電気エネルギーを必要とし、これはわずか 0.5% の「ウォール プラグ」効率に相当します。

国立点火施設は、世界で初めて正味の核融合エネルギー増加を実証

ロチェスター大学のリッカルド・ベッティ ダイオードによってポンピングされる最新のレーザーは 20% もの高効率に達する可能性があると述べていますが、発電所に必要なマージン (熱を電気に変換する際に失われるエネルギーを含む) を考慮すると、これらのデバイスでさえ「少なくとも 50% の目標ゲインが必要になる」と指摘しています。 100インチ（NIFの1.5と比較）。 また、XNUMX 秒間に数回「発砲」する必要がありますが、NIF は XNUMX 日に約 XNUMX 回しか発砲しません。 この高い繰り返し率は、NIF のターゲット (金と合成ダイヤモンドで作られている) に必要な数十万ドルと比較して、多くても数十セント​​の大量生産ターゲットを必要とします。

市場への参入

あらゆるハードルにもかかわらず、核融合エネルギーを商業化できると信じている企業の XNUMX つが、カリフォルニアに本拠を置く企業です。 ロングビュー核融合エネルギーシステム. 2021 年に元 NIF ディレクターのエドワード・モーゼスを含む元リバモアの科学者によって設立されたロングビューは、NIF のターゲット設計とダイオード励起固体レーザーを組み合わせることを目指しています。 同社は、リバモアがNIFの記録破りのショットを報告したのと同じ日にその存在を発表し、今後XNUMX年以内にパイロット発電所の建設を開始する予定であると述べた.

Longview は、遅くとも 50 年までに 2035 MW の電力をグリッドに供給する予定であると述べています。 同社は、これが容易ではないことを認識しており、レーザー効率と繰り返し率をそれぞれ 18% と 10 ～ 20 Hz と想定しています。 特に、必要なダイオードはすでに存在しているが、「核融合スケールのレーザー用の統合ビームラインにまだパッケージ化されていない」と述べています。 しかし、パイロット プラントに必要な光学系の損傷しきい値の XNUMX 倍以内にレーザーが収まっていることを指摘して、期限を守れることには自信を持っています。

誰もが納得しているわけではありません。 ワシントン DC の米国海軍研究所でレーザー核融合プログラムの責任者だった Stephen Bodner は、NIF の「間接駆動」技術は (燃料カプセルを直接照射するのではなく) X 線を生成する際にエネルギーを浪費しすぎると主張している。 彼はまた、Longview が、パイロット プラントに必要な 0.30 億の目標にかなりの技術費と設備投資を分散させることで、目標コストを 500 ドル未満に削減できるという Longview の主張にも懐疑的です。 「NIF で使用されているような核融合ターゲットが、商用の核融合エネルギーのために十分に改善される可能性はありません」と彼は言います。

National Ignition Facility のレーザー核融合マイルストーンが議論に火をつける

しかし、核融合エネルギーを世界にもたらす技術を手元に持っていると信じているのは、Longview だけではありません。 昨年まとめたレポート を通じて、タンピングされたコーヒーベッドの上から均一にフィルターバスケットの内の粉に浸透していきます。 核融合産業協会 業界団体は、核融合技術に取り組んでいる米国およびその他の場所の 33 社の企業を挙げています。これらの企業の多くは、発電所の開発に積極的なタイムスケールを持っています。 そんな会社の一つが 最初のライト、英国オックスフォード近郊に拠点を置く。 レーザー パルスを使用して燃料カプセルを圧縮するのではなく、First Light は、すべてがほぼ瞬時に放電するコンデンサーの巨大なバンクによって提供される電磁力を使用して、材料の発射体 (郵便切手の形をした金属片) を非常に高速で発射します。 発射体は特別に作られたターゲットに命中し、それぞれが内部に埋め込まれた燃料カプセルへの衝撃圧力を方向付けて強化します。

同社はこれまでに約 80 万ポンドの資金を調達し、ヨーロッパ最大のパルス電源施設を使用して核融合を実証しました。 共同創設者兼最高経営責任者のニコラス・ホーカー氏によると、次のステップは、約 2030 年後にははるかに大型の機械で着火を実証し、その後「XNUMX 年代の初めから半ば」にパイロット プラントで実証する予定です。 Hawker 氏は、発射体を次々と装填できるようにすることや、適切に堅牢な高電圧スイッチを開発することなど、多くの課題が前途にあることを認めていますが、スキームの物理学はしっかりしていると確信しています。 「燃料カプセルはNIFのものとまったく同じであるため、最近の結果により、システムのリスクも大幅に軽減されます。」 

現金が必要

物理学に関して言えば、慣性閉じ込め核融合は磁気閉じ込めよりも適切に配置されているとベティは考えています。 NIF は現在、前者が自立反応を生成できることを実証しているが、彼は、発火閾値近くで生成された不安定性は、トカマクが追随できるかどうかについてまだ大きな不確実性があることを意味すると主張している。 それにもかかわらず、彼は、経済的に競争力のあるエネルギーを生み出すためには、両方の形態の核融合が手ごわいハードルを克服しなければならないと述べています. 「エネルギーシステムが 10 年で準備できるとは信じがたいです」と彼は言います。

NIF の科学者は、過去 XNUMX 年間、いくつかの非常に難しい物理問題を解決する素晴らしい仕事をしてきました。 彼らの偉大な功績は認められるべきだ

スティーブン・ボドナー

カーターはより楽観的です。 彼は、民間企業が建設を主導し、政府が耐放射線材料などのより基本的な基礎研究を支援する限り、パイロットプラントは約500年で実現できると主張している. しかし彼は、必要な資金は相当なものになるだろうと警告している。米国政府の場合、年間約 2050 億ドルの追加資金だ。 資金があれば、「XNUMX 年よりも早く」本格的な商用プラントが稼働する可能性があると彼は付け加えます。

最終的に工場内に導入される技術について、Bodner 氏は、間接的な推進力に基づくものではないと主張しています。 最も可能性が高いのは、フッ化アルゴン ガス レーザーなどの別の種類のレーザー システムに基づく慣性閉じ込めである、と彼は主張しています。 しかし、どんなシステムでもスケールアップすると不確実性が生じることを彼は認めています。 そして彼は、核融合研究をここまで進めた NIF の科学者を称賛しています。 「彼らは過去 XNUMX 年間、いくつかの非常に難しい物理学の問題を解決する素晴らしい仕事をしました」と彼は言います。 「彼らの偉大な功績は認められるべきだ。」

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/national-ignition-facilitys-ignition-milestone-sparks-fresh-push-for-laser-fusion/